Kuidas on võimalik, et magnet suudab tekitada elektrit? Ja miks on see nähtus niivõrd määrava tähtsusega, et ilma selleta ei oleks tänapäevast elektrivõrkude infrastruktuuri, koduseid seadmeid ega isegi valgust?
Vastus peitub nähtuses nimega elektromagnetiline induktsioon. See on protsess, mille käigus tekib elektrivool muutuva magnetvälja toimel. See teaduslik läbimurre 19. sajandi lõpus muutis kogu maailma kulgu ja on tänapäeval aluseks elektrienergia tootmisele, edastamisele ja kasutamisele.
Selgitame lähemalt, kuidas elektromagnetiline induktsioon töötab, miks see avastus revolutsiooniline oli ning millist rolli mängisid selle juures teadlased Michael Faraday ja James Clerk Maxwell.
Kuid enne, kui saame rääkida induktsioonivoolust, tuleks kõigepealt peatuda magnetismil ja elektromagnetismil.
Magnetism ja elektromagnetism: kuidas need omavahel seotud on?
Enne kui saame põhjalikult rääkida elektromagnetilisest induktsioonist, peame mõistma kahte olulist nähtust: magnetism ja elektromagnetism. Need on omavahel tihedalt seotud ja on paljude tänapäevaste tehnoloogiate aluseks. Neil on keskne roll nii tänapäeva tehnoloogias ja tööstuses kui ka meie arusaamas universumi füüsikalisest ülesehitusest.
Mis on magnetism?
Magnetism on nähtus, mille puhul teatud materjalid avaldavad magnetjõudu. See tähendab, et nad tõmbavad ligi või tõukavad eemale teisi objekte, mis on magnetilisele mõjule vastuvõtlikud. Kuid mitte kõik ained ei ole magnetilised.
Magnetilistes materjalides on osa elektronidest paaristumata ning nende magnetilised omadused on joondunud samas suunas. Just see tekitab märgatava magnetvälja. Kui selline aine säilitab oma magnetilised omadused ka pärast seda, kui välise magnetvälja mõju lakkab, nimetatakse seda ainet püsimagnetiks ehk ferromagnetiliseks materjaliks.
Mittemagnetilistes ainetes sellist joondumist ei toimu. Seal on elektronid kas paaris (diamagnetism) või juhuslikult orienteerunud (paramagnetism), mistõttu magnetilisi omadusi ei avaldu.
Ferromagnetilised materjalid, nagu raud ja nikkel, võivad muutuda magnetiliseks kas juhuslikult või seetõttu, et nad satuvad mõne välise magnetvälja mõju alla. Ent erinevalt püsimagnetitest on olemas ka elektromagnetid, mida saab sisse ja välja lülitada ning mille tugevust on võimalik kontrollida. Elektromagnetid on sageli ka oluliselt võimsamad kui püsimagnetid.
Mis on elektromagnetism?
Elektromagnetism on füüsikaline nähtus, mis ühendab endas kaks teineteisega seotud jõudu – elektrivälja ja magnetvälja. Nii nagu iga liikuva elektrilaenguga kaasneb magnetväli, tekib muutuvate magnetväljade korral omakorda elektriväli. See kahepoolne seos on aluseks paljudele tänapäeva tehnoloogiatele.
Erinevalt teistest loodusjõududest (näiteks gravitatsioon) on elektromagnetism ainus, mida me saame otseselt juhtida ja rakendada. Just seetõttu on selle roll meie igapäevaelus ja tehnoloogias erakordselt suur.
Tegemist ei ole ainult nähtusega, mis selgitab, miks magnet tõmbab ligi metalli. Elektromagnetismil on määrav roll aatomite ja molekulide struktuuris, keemiliste sidemete tekkes ning isegi valguse levikus, kuna valgus on sisuliselt elektromagnetiline laine.
Ilma elektromagnetismita ei oleks võimalik elektrit ei toota ega seda edastada. Me ei suudaks tagada tohutul hulgal elektrienergia liikumist üle riigipiiride, läbi võrkude ja alajaamade, kuni see lõpuks igaühe majapidamisse ehk lõpptarbijani jõuab. Järgmine kord, kui lülitad põlema tule, keedad vett või avad sülearvuti, mõtle hetkeks sellele nähtamatule jõule, mis kõik need tegevused võimalikuks teeb.
Kõikjal, kus liigub elektrivool või tekib magnetväli, on mängus elektromagnetism.
Mis on elektromagnetid?
Elektromagnet on magnet, mis saab oma magnetvälja elektrivoolust.
Tavaliselt koosnevad elektromagnetid traadimähisest, mis on keeratud ümber metallist (enamasti rauast) südamiku. Seda konstruktsiooni nimetatakse solenoidiks. Kui läbi traadi juhitakse elektrivool, tekib selle ümber magnetväli, mis koondub solenoidi eskel asuvasse metallitükki.
Need magnetid võivad olla väga võimsad. Niipea, kui vool katkeb, kaob ka magnetism. Just seesugune sisse- ja välja lülitavus teeb elektromagnetitest paindlikud ja kasulikud töövahendid.
Kuigi elektromagnet on sisuliselt lihtsalt väga tugev magnet, on elektrivoolu ja magnetismi ühendus tehnoloogiliselt erakordselt oluline. Üks selle tähtsamaid rakendusi ongi elektromagnetiline induktsioon. Tegemist on nähtusega, mille käigus muutuva magnetvälja abil tekitatakse elektromotoorjõud ehk indutseeritud pinge.
Teisisõnu: nende magnetitega saab toota elektrit.
Elektromagnetilise induktsiooni ajalugu
Selleks et mõista elektromagnetilise induktsiooni olemust ja tähtsust, tasub kõigepealt heita pilk ajalukku. Rändame korraks tagasi 1830. aastatesse ehk ajastusse, mil leidsid aset selle nähtusega seotud esimesed katsed ja avastused.
Tollal oli juba olemas hobuserauakujuline elektromagnet, mille leiutas William Sturgeon. Samuti oli teadlastele juba selge, tänu Hans Christian Ørstedile ja André-Marie Ampère'le, et elektrivooluga kaasneb magnetväli.
Ent just Michael Faraday oli see, kes pani aluse elektromagnetilise induktsiooni mõistmisele. Ta viis 1831. aastal läbi mitmed katsed, mille tulemused avaldasid tol ajal kogu teadusmaailmale väga suurt mõju.
Michael Faraday
Briti teadlane Michael Faraday on kahtlemata üks mõjukamaid teadlaseid kogu ajaloos. Tema tööd magnetismi vallas näitas muuhulgas, kuidas magnetväli võib ka valguskiiri mõjutada. Siiski on tema kõige silmapaistvam ja olulisem panus teadusesse seotud just elektromagnetilise induktsiooni avastamisega.
Faraday võttis eksperimendi käigus rauast rõnga ja keeras selle vastaskülgedele kaks eraldi vasktraadist mähist. Kui ta juhtis patarei kaudu elektrivoolu läbi ühe mähise, eeldas ja ootas ta, et midagi juhtub ka teise traadiga – näiteks tekib elektrilaeng või mingi muu mõõdetav efekt.
Teise traadi ühendas ta galvanomeetriga, mis tuvastab ja mõõdab elektrivoolu. Ning tõepoolest, hetkel, mil Faraday ühendas ja katkestas voolu esimese traadi kaudu, registreeris teise traadiga ühendatud galvanomeeter elektrilise reaktsiooni. Faraday järeldas, et selle põhjustas magnetvoog, mis liikus läbi rauast südamiku rõnga keskel esimesest mähisest teise mähisesse.
Oluline oli aga see, et elektrivool tekkis ainult siis, kui magnetväli muutus, mitte siis, kui patareist saadud toide püsis stabiilsena. Ainult hetked, mil vool sisse ja välja lülitati, põhjustasid galvanomeetris kõrvalekaldeid. Seega oli just muutuv magnetväli see, mis põhjustas induktsiooni.
Sarnase tulemuseni jõudis ta ka ühe teise katse käigus, kus ta liigutas püsimagnetit edasi-tagasi läbi traadimähise. Liikumise ajal täheldas galvanomeeter taas elektrivoolu teket.
Faraday seadus ja Maxwelli võrrandid
Faraday saavutas elektromagnetilise induktsiooni avastamisel küll murrangu läbi praktiliste katsete, kuid tema tulemused ei leidnud esialgu teadlaste kogukonnas suurt vastukaja. Põhjuseks oli see, et ta ei esitanud oma järeldusi matemaatilises vormis.
Umbes kolmkümmend aastat hiljem andis Šoti füüsik James Clerk Maxwell Faraday töödele matemaatilise aluse. Ta sõnastas rea võrrandeid, mis kirjeldavad elektromagnetilise induktsiooni toimimist. Neid tuntakse tänapäeval Maxwelli võrranditena:
- (1) - Gaussi seadus elektrivälja jaoks
- (2) - Gaussi seadus magnetvälja jaoks
- (3) - Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus
- (4) - Ampère'i-Maxwelli seadus
Tegemist on fundamentaalsete seadustega, mis kirjeldavad elektri ja magnetismi vahelist seost.
Kuidas elektromagnetiline induktsioon töötab?
Lihtsustatult võime öelda, et elektromagnetilise induktsiooni avastuse tähtsus on see, et muutuv magnetväli suudab tekitada elektrivoolu.
Nagu eespool selgitatud, kaasneb iga elektrivooluga magnetväli. Seda nähtust kasutatakse ära näiteks solenoidides. Faraday katsetest ilmnes, et kui mõjutada seda olemasolevat magnetvälja mõne teise magnetiga (näiteks seda liigutades), muutub selle mõjul vooluringis tekkinud pinge ehk elektromotoorjõud.
Elektromotoorjõud (EMJ) on füüsikaline suurus, mis kirjeldab pinget, mida energiaallikas (nt generaator või aku) tekitab vooluringis elektrivoolu liikumiseks. See ei ole tegelikult jõud, vaid hoopis potentsiaalide erinevus, mis paneb laengud liikuma.
Kui liigutada magnetit mähise magnetvälja mõjuala lähistel, on võimalik tunda teatud vastupanu. Just selle liikumise tõttu hakkabki mähises vool tekkima. Mida kiiremini magnetit liigutada või mida tugevam on magnetväli, seda suurem on indutseeritud voolutugevus.
Sellisel viisil saab magneteid kasutada liikumisenergia (ehk kineetilise energia) muutmiseks elektrienergiaks. Liigutades magnetit mähise suhtes, hakkab vool „voolama“. Just sellel põhimõttel töötavad näiteks generaatorid: nad toodavad elektrit, liigutades magnetit magnetväljas.
Kuidas me elektromagnetilist induktsiooni kasutame?
Elektromagnetiline induktsioon ei ole pelgalt huvitav füüsikaline nähtus. See on aluseks paljudele seadmetele ja tehnoloogiatele, mida me igapäevaselt kasutame. Tänu sellele nähtusele saame toota elektrit, edastada seda tõhusalt ja kasutada seda paljudes nutikates rakendustes, mis muudavad meie elu mugavamaks ja ohutumaks.
Toome esile mõned levinumad ja huvitavad näited sellest, kuidas elektromagnetilist induktsiooni kasutatakse.
Elektrigeneraatorid
Elektrigeneraatorid on kõige klassikalisem näide elektromagnetilisest induktsioonist. Neid leidub igal pool, alates elektrijaamadest, kus põletatakse kütust, et luua liikumist ja toota magnetvälja, kuni autode ja pisikeste mootoriteni erinevates seadmetes.
Olenevalt seadme tüübist liigutadakse generaatoris magnetvälja või mähist, et tekitada elektrivool. See toimub nii suurtes elektrijaamades, kus turbiinid panevad generaatorid pöörlema, kui ka väiksemates seadmetes, nagu näiteks jalgrattadünamos või bensiinigeneraatorites. Need kõik kasutavad elektromagnetilist induktsiooni selleks, et muundada kineetiline energia elektrienergiaks.
Induktsioonipliidid
Induktsioonipliit kasutab elektromagnetilist induktsiooni selleks, et kuumutada toidunõusid otse. Kui pliidiplaadi alla paigutatud mähisesse juhitakse vahelduvvool, tekib muutuv magnetväli. See omakorda indutseerib voolu poti või panni põhjas, mis kuumeneb tänu oma elektrit juhtivale materjalile. Tulemuseks on kiire, tõhus ja energiasäästlik toiduvalmistamine.
Vahelduvvool (AC) on suurtel võimsustel palju levinum kui alalisvool (DC), kuna seda on lihtsam transportida. Vahelduvvool võimaldab tõsta pinget ja samal ajal hoida voolutugevus madal, et vähendada energiakadu ja võimaldada elektri edastamist üle pikkade vahemaade.
Kuna kõrge pinge ei sobi kodustes majapidamistes kasutamiseks, vajame selle muundamiseks trafosid ehk transformaatoreid. Trafod muudavad elektrienergia kodumasinatele ja muudele seadmetele ohutuks.
Juhtmevabad laadijad
Paljud tänapäeva nutitelefonid ja kõrvaklapid kasutavad juhtmevaba laadimist, mis samuti põhineb elektromagnetilisel induktsioonil. Laadimisaluses olev mähis tekitab magnetvälja, mis indutseerib voolu vastuvõtvas seadmes olevas mähises. See vool laeb seadme aku ilma mugavalt ja kontaktivabalt, ilma füüsilise ühenduseta.
Elektromagnetiline induktsioon on füüsikaline protsess, mille käigus muutuv magnetväli tekitab elektrivoolu. Selle avastas Michael Faraday 19. sajandi alguses ning James Clark Maxwell andis sellele veidi hiljem ka matemaatilise selgituse. Induktsioon on aluseks elektri tootmisele generaatorites, selle edastamisele trafode kaudu ning leidnud rakendust ka induktsioonipliitides ja juhtmevabades laadijatest. Ilma selle nähtuseta poleks meie tänapäevane energial põhinev infrastruktuur võimalik.
Kas sulle meeldis see artikkel? Jäta hinnang
Laadin...
